从0到1：用Rust开发自己的操作系统内核
开发一个操作系统内核是一项挑战性的任务，但也是极富成就感的。随着Rust语言的兴起，越来越多的开发者开始尝试使用Rust来编写安全且高效的系统软件。Rust的设计理念非常适合操作系统开发，因为它提供了强大的内存安全保证和高效的运行性能。本文将指导你如何从零开始，使用Rust语言逐步构建一个简单的操作系统内核。
首先，你需要安装Rust编程环境。推荐使用rustup工具来安装Rust，因为它可以方便地管理Rust的不同版本和工具链。安装完成后，还需要安装一个支持Rust的交叉编译工具链，用于编译可以在裸机上运行的目标代码。
接下来，让我们创建一个新的Rust项目，这将是我们的操作系统内核的基础。使用cargo new命令创建一个名为my_kernel的新项目，并进入该项目目录：
cargo new my_kernel
cd my_kernel
为了使这个项目能够编译成可以在裸机上运行的目标代码，我们需要修改项目的配置文件Cargo.toml。在Cargo.toml中添加以下内容：
[package]
name = "my_kernel"
version = "0.1.0"
edition = "2021"
[lib]
crate-type = ["staticlib"]
[dependencies]
这里我们设置了crate-type为staticlib，这意味着我们的项目将会被编译成一个静态库，而不是一个可执行文件。
接下来，我们开始编写内核的入口点。在src/lib.rs文件中，定义一个简单的start函数，这将是我们的内核的启动点：
pub extern "C" fn start() {
unsafe {
println!("Hello, World! This is my kernel.");
}
}
请注意，我们在println!宏前面加上了unsafe块，因为标准库的println!宏使用了std::io::Write，而在裸机环境中，标准I/O是不可用的。实际上，我们需要实现一个自定义的串口输出函数来替代println!宏。
为了实现串口输出，我们需要在src/lib.rs中添加以下代码：
use core::fmt::Write;
struct SerialPort {
port: u16,
}
impl SerialPort {
const fn new(port: u16) -> Self {
SerialPort {
port }
}
unsafe fn write_byte(&self, byte: u8) {
// Write the given byte to the serial port.
// This is a simplified version for demonstration purposes.
asm!("outb {}, {}" :: "{al}"(byte), "{dx}"(self.port): : "volatile");
}
}
impl Write for SerialPort {
fn write_str(&mut self, s: &str) -> core::fmt::Result {
for byte in s.bytes() {
unsafe {
self.write_byte(byte); }
}
Ok(())
}
}
static SERIAL1: SerialPort = SerialPort::new(0x3F8);
pub extern "C" fn start() {
unsafe {
SERIAL1.write_str("Hello, World! This is my kernel.\n");
}
}
在这个例子中，我们定义了一个SerialPort结构体，它模拟了串口的发送功能。通过write_str方法，我们可以向串口发送字符串。这里使用了内联汇编来直接与硬件交互。
现在，我们需要将编译好的内核加载到模拟器中运行。为此，我们可以使用QEMU，这是一个通用的全系统模拟器。首先，我们需要将编译好的内核映射到内存中，并设置CPU进入我们的启动代码。为此，我们需要创建一个引导加载程序（bootloader），这里我们使用multiboot2库来简化这一过程。
在Cargo.toml中添加multiboot2依赖：
[dependencies]
multiboot2 = "0.8"
然后，在src/lib.rs中，引入multiboot2并修改start函数：
use multiboot2::BootInformation;
pub extern "C" fn start(_boot_info: &'static BootInformation) {
unsafe {
SERIAL1.write_str("Hello, World! This is my kernel with multiboot2.\n");
}
}
现在，我们需要编译内核并使用QEMU加载它。首先，创建一个build.sh脚本来编译内核：
#!/bin/bash
KERNEL_FILE=target/x86_64-unknown-none/release/libmy_kernel.a
QEMU_KERNEL=kernel.bin
# Compile the kernel
cargo build --release --target x86_64-unknown-none
# Create a simple bootloader that loads our kernel
cat > bootloader.asm << EOF
global _start
section .text
_start:
; Set up the GDT and other things
; Load the kernel into memory
; Jump to the kernel entry point
EOF
# Assemble the bootloader
nasm -f elf64 bootloader.asm -o bootloader.o
# Link the bootloader and the kernel
ld -n -z max-page-size=0x1000 -Ttext 0x7C00 -o $QEMU_KERNEL bootloader.o $KERNEL_FILE
# Clean up
rm bootloader.o bootloader.asm
echo "Kernel built successfully!"
最后，使用QEMU运行内核：
qemu-system-i386 -serial stdio -drive file=./kernel.bin,format=raw,if=floppy
这个脚本会先编译内核，然后创建一个简单的引导加载程序，并链接内核。最后，使用QEMU加载这个内核并启动。
至此，我们已经成功地用Rust编写了一个简单的操作系统内核，并使用QEMU模拟器运行了它。虽然这个内核非常基础，但它为我们展示了如何使用Rust语言来构建操作系统的基本组件。从这里开始，你可以继续添加更多的功能，比如内存管理、设备驱动程序、进程调度等，逐步完善你的操作系统内核。
通过这个简单的教程，希望你能够对使用Rust开发操作系统内核有一个初步的了解，并激发你进一步探索的兴趣。开发操作系统是一个长期且复杂的过程，但有了Rust的帮助，这个过程将会变得更加安全和高效。
